OBRAS FLUVIALES 1. INTRODUCCIÓN

Transcripción

1 1. INTRODUCCIÓN Los ríos son elementos naturales que captan las aguas de una cuenca y las transportan, en régimen a superficie libre, hasta su desembocadura. La hidráulica fluvial estudia la intervención del hombre sobre los ríos, ya sea para la adecuación al sistema de aprovechamientos del recurso hídrico, la disminución de riesgos de daños por inundación, o bien por la intersección del río con una obra de infraestructura (carretera, ferrocarril, conducciones, etc.). Si bien los ríos y los canales artificiales conducen agua mediante régimen a pelo libre, existen importantes diferencias entre ambos. Como primer medida, es imprescindible destacar, que los canales son obras de ingeniería como cualquier otra infraestructura. Un canal responde a un proyecto, con su respectivo caudal de diseño, régimen de explotación, trazado, revestimiento, sección tipo, etc. Además, es posible que el proyecto de un canal contemple obras para evitar la entrada de sedimentos (trampas de arena, decantadores, etc.). Por lo contrario, en el caso de los ríos no existen determinaciones previas. El caudal es siempre variable, según el régimen hidrológico de la cuenca, y puede ser a una escala de tiempo estacional o bien restringido a un evento meteorológico. En general, la forma del cauce de un río responde a ciertos caudales de elevadas recurrencias (pero no extraordinarias). Además, existen las crecidas extraordinarias las cuales pueden transformar la naturaleza o el curso del río (corte de meandros) otorgándole al mismo un comportamiento dinámico que responde a ciertos grados de libertad. Otra gran diferencia es que el río, al ser parte del medio ambiente, se relaciona con el mismo y conforma a su alrededor un ecosistema húmedo, apropiado para la vida vegetal y animal. Un río mantiene un flujo bifásico de agua y sedimento (procedente del cauce o de la cuenca), en el cual si no existen cambios espaciales o temporales, simplemente el río aporta una cierta cantidad de ambas fases. La hidráulica fluvial intenta ser una herramienta para el ingeniero en la cuantificación de los cambios en la fase sedimento, que le permitan dar solución a problemas tales como tarquinamiento y pérdida de capacidad en embalses, explotación de áridos admisibles, o variaciones en la cota de fondo. Estas últimas suelen ser las mas graves para obras cimentadas en el río o cerca del mismo (puentes, acueductos, etc.) y también para obras subfluviales (túneles). Al poseer un fondo móvil, el régimen hidráulico de un río puede adaptarse a las altas velocidades de erosión mediante una sucesión de régimen lento y rápido, como se observa en la naturaleza. Existe una resistencia al flujo dada por el tamaño del grano del material que compone el lecho, a la que debe agregarse una rugosidad debido a las formas del fondo (rizos, dunas, etc.). Para finalizar la comparación, es conveniente destacar que los ríos se encuentran sometidos a crecidas, situación que crea las mayores solicitaciones modificando el equilibrio del cauce, formando considerables erosiones, provocando desbordes e inundaciones, etc. 1

2 . NOCIONES DE MECÁNICA DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS.1 Elementos: Agua Sedimentos Mezcla Los materiales que componen los lechos de los ríos pueden ser granulares o cohesivos. Las modificaciones del cauce de estos últimos son mas lentas debido a la mayor resistencia a la erosión. Tras una erosión del fondo, un lecho cohesivo puede restablecer su cota original, pero ya como material granular. La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos aun se encuentra en sus principios. Una de las propiedades de mayor relevancia de las partículas de un lecho granular es el peso. En general, los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales cuya densidad ρ s tiene poca variación. Un valor medio adoptado es ρ s =.65 o también la densidad relativa (respecto del agua) ρ s /ρ =.65. La densidad relativa sumergida es una relación de gran uso en la Mecánica del Transporte de Sedimentos y responde a la siguiente expresión: = ρ s ρ 1.65 (1) ρ Debido a esta relación aproximadamente constante de los cauces naturales, la propiedad de mas importancia pasa a ser el tamaño, como representación del volumen de la partícula. Existen diferentes definiciones para establecer el tamaño de una partícula tales como: diámetro de sedimentación, de tamiz, nominal, de caída, etc. (Weber, 000). De las dimensiones triaxiales de una partícula ideal mostradas en la figura 1 (siendo a > b > c) la medida b es la dimensión decisiva para que un grano pase o sea retenido por un tamiz. Figura 1: Ejes principales de una partícula ideal. La representación gráfica de las fracciones acumuladas de porcentaje en peso pasante a un determinado tamaño (tamiz), correspondientes a las distintas dimensiones de granos que representan una muestra, constituye la distribución granulométrica (ver figura ). % Pasante en Peso RÍO DE LLANURA RÍO DE MONTAÑA Uno de los diámetros más empleados es el D 50. En términos estadísticos es interesante definir la varianza de una muestra como: σ = P ( D D ) () % i i m Diámetro [mm] Figura : Ejemplo de Curvas Granulométricas. donde: D m es la media aritmética de los diámetros de la muestra, D i es el diámetro correspondiente a un porcentaje de pasante P i.

3 Los ríos de montaña están compuestos generalmente por una mezcla de tamaños desde finos a gruesos, el desvío estándar es σ > 3 y se dice que la granulometría es extendida o que el material es bien graduado. Para los ríos de llanura en cambio, σ < 3 la granulometría es uniforme o que el material es mal graduado (ver figura ). Normalmente, los materiales granulares se subdividen según el diámetro de tamizado; mientras que los limos y arcillas según su diámetro de sedimentación. Una de las escalas mas empleadas para esta separación es la clasificación del American Geophysical Union (AGU) mostrada en la tabla 1. Tabla 1: Clasificación de materiales sedimentarios de la American Geophysical Union. Grupo Clase Tamaño [mm] Muy grandes Bolos Grandes Medianos Pequeños Cantos Grandes Pequeños Muy gruesa 3-64 Gruesa 16-3 Grava Mediana 8-16 Fina 4-8 Muy fina - 4 Muy gruesa 1 - Gruesa Arena Mediana Fina Muy fina Stokes Grueso Limo Mediano Fino Muy fino Gruesa Arcilla Mediana Fina Muy fina Fuente: García Flores et al (1995). Otras propiedades de los sedimentos tales como factor de forma, esfericidad, redondez, velocidad de caída, etc. se encuentran desarrolladas en algunas de las referencias bibliográficas citadas, de las cuales se destacan entre otros García Flores et al (1995) y Weber (000). Las propiedades de la fase agua son bastante conocidas por lo que sólo serán aquí enumeradas: densidad ρ, peso específico γ, viscosidad dinámica µ, viscosidad cinemática ν, índice de compresibilidad y elasticidad volumétrico, etc. Respecto de las propiedades de la mezcla bifásica se destaca la concentración, la cual equivale a la relación entre volumen de sólidos con volumen total de la mezcla, peso específico de la mezcla, viscosidad dinámica de la mezcla, etc. 3

4 . Iniciación del Movimiento Un lecho granular sometido a la acción de una corriente de agua, observará que en algún momento una partícula es desplazada por la fuerza de arrastre del agua. Conocer en que condiciones ocurre este fenómeno, es el problema denominado Inicio o Umbral del Movimiento del fondo, el cual permite establecer el comienzo y la finalización del flujo bifásico. El estado del arte sobre este tema proviene fundamentalmente de estudios experimentales en laboratorios y con arenas uniformes, los que paralelamente han sido apoyados en teorías mecanicistas y análisis dimensionales, pero existe un cierto consenso en torno al resultado obtenido por el investigador Albert Shields en 1936, conocido como Diagrama de Shields. La acción del agua sobre el lecho puede caracterizarse por una tensión cortante sobre el fondo τ o. La resistencia de la partícula a ser movida puede relacionarse con su peso sumergido, el cual es función del peso específico sumergido (γ s -γ) y el diámetro D que caracteriza el volumen de la partícula. Con estas tres variable puede formarse el parámetro adimensional τ o tensión de corte adimensional. τ τ o = ( γ γ ) D s (3) Esta relación compara la fuerza que tiende a producir el movimiento (acción de arrastre proporcional a τ o D ) con la fuerza que procura estabilizarlo o mantenerlo en reposo (acción del peso proporcional a (γ s -γ)d 3 ). Analizando el equilibrio de fuerzas en un tramo de cauce de longitud diferencial, en el sentido de la corriente la componente del peso del volumen de control es contrarrestada por la fuerza de rozamiento en su contorno (ver figura 3). τ Figura 3: Corte longitudinal esquemático de un cauce. Para un cauce prismático, el peso del líquido W es igual al producto del peso específico por el volumen de control W = γ A dx donde A es el área transversal del cauce. La componente en la dirección del flujo Wx = γ A dx senθ. Si el ángulo θ es pequeño senθ tgθ S siendo S la pendiente del tramo de cauce analizado. 4

5 Por otro lado, existe una fuerza de fricción aplicada en todo el contorno del cauce que se opone al escurrimiento τ P dx, donde P es el perímetro mojado del cauce. Analizando el equilibrio de ambas fuerzas resulta τ o o P dx = γ A S dx, resolviendo se obtiene: τ o = γ R S (4) donde R es el radio hidráulico del cauce ( R = A ). Para cauces muy anchos (B > 0 h) P entonces R h. La ecuación 4 puede escribirse: τ o = γ h S (5) La acción del agua sobre el fondo puede representarse también por una velocidad característica denominada velocidad de corte u *. De los conocimientos adquiridos en Mecánica de los Fluidos, esta velocidad se define a partir de la tensión τ o como: o bien: τ o u * = (6) ρ τ o = ρ u * (7) El parámetro adimensional τ definido en la ecuación 3 puede expresarse en términos de la velocidad de corte como: τ ρ u* = ( γ γ ) D s = u* ( ρs ρ) g D ρ = u* g D (8) Esta última expresión tiene la estructura de un número de Froude. Además, con la velocidad de corte es posible definir otro parámetro adimensional denominado número de Reynolds granular Re *. u * D Re * = (9) υ Es importante destacar que los flujos en la naturaleza son turbulentos y dependiendo del espesor de la subcapa viscosa δ respecto del diámetro D de las partículas del lecho, el movimiento podrá ser turbulento a pared lisa (δ > D) o rugosa (δ > D) según muestra la figura 4. Figura 4: movimiento turbulento liso (izq.) y rugoso (der.). 5

6 El espesor nominal adimensional de la subcapa viscosa se puede relacionar con el Re * de la siguiente forma: por lo tanto D Re * = 11.6 (10) δ D υ δ = 11.6 = 11.6 Re u * * (11) de la ecuación 11 se observa que si Re * = 11.6 entonces δ = D encontrándose el flujo en una situación particular entre pared lisa y rugosa. El diagrama de Shields (figura 5) muestra la relación entre los parámetros adimensionales τ y Re * descriptos anteriormente. Por debajo de la curva existe reposo; mientras que los puntos por encima de la curva corresponden al movimiento desarrollado. En realidad, este diagrama no es una relación determinística, sino que existe una zona o banda alrededor de la curva en la cual existe una alta probabilidad ( 40 a 50 %) de inicio de movimiento. A este valor del parámetro adimensional se lo denomina como tensión crítica τ c. PARED LISA PARED RUGOSA MOV. TURB. LISO MOV. TURB. DE TRANSICIÓN MOV. TURB. RUGOSO 11.6 Figura 5: Diagrama de Shields. El número de Reynolds granular refleja la relación entre las fuerzas de inercia y viscosas en el entorno de un grano, es decir, el grado de turbulencia. Al aumentar Re * el movimiento es más turbulento alrededor de la partícula y la curva de Shields tiende a ser asintótica horizontalmente (situación análoga al problema de fricción en tuberías del ábaco de Moody). El valor de la tensión adimensional τ en este régimen es independiente del Re * variando, según distintos autores, desde 0.03 a El límite entre movimiento turbulento liso y el intermedio es para Re * menores a 3 5 (δ > D). Para el paso de intermedio a turbulento rugoso el Re * es de (δ < D). 6

7 .3 Acorazamiento Una limitación de la teoría del diagrama de Shields es que dicha curva fue deducida mediante experimentos de laboratorio para materiales granulares finos y de granulometría uniforme. En la naturaleza y sobre todo en ríos de montaña, el lecho esta constituido por una mezcla de materiales de distintos tamaños, cada uno de los cuales posee una tensión crítica diferente. Por lo tanto, una misma corriente puede desplazar mas fácilmente a los materiales finos que a los gruesos. Mediante este razonamiento puede explicarse un desplazamiento selectivo de las partículas más finas, de manera que un material originalmente bien graduado sometido a un régimen permanente, al cabo de un tiempo presentará una frecuencia mayor de gruesos en la superficie. A esta condición se la denomina como acorazamiento del lecho. Figura 6: Acorazamiento. Este fenómeno influye en la rugosidad del cauce ya que la superficie del fondo presenta partículas de grano mayor. También influye en el inicio del movimiento del lecho ya que es necesario primero destruir la coraza para poder mover en material mas fino que hay debajo. Existen estudios empíricos o semi-teóricos que analizan el inicio del movimiento de una mezcla y establecen que las partículas gruesas se ponen en movimiento para una esfuerzo de corte menor del que necesitaría si estuviera acompañada de partículas de su mismo tamaño. Inversamente, las partículas más finas necesitan un esfuerzo mayor para ponerlas en movimiento. Esto significa que una mezcla presenta un comportamiento conjunto en el umbral del movimiento, retrasando o dificultando el desplazamiento de las partículas finas, y anticipando o facilitando el de los granos más gruesos. La posibilidad de acorazamiento de un lecho puede juzgarse por medio de la desviación granulométrica típica σ. En general, para valores de σ > 3 puede existir este fenómeno. 7

8 .4 Formas de Fondo Cuando es superado el umbral del movimiento τ > τ c, el fondo de un río puede presentar una configuración ondulada siguiendo las llamadas formas de fondo. Este fenómeno tiene gran importancia porque participa en el transporte de sedimentos e interviene en la resistencia al flujo (rugosidad). Las formas de fondo ocurren en lechos de arena, mientras que en ríos de grava o de materiales gruesos y de granulometría extendida se presentan en forma limitada o directamente no se producen. Al comenzar el movimiento en un lecho de arena e ir aumentando la velocidad se presentan las siguientes formas: rizos, dunas, fondo plano y antidunas. Los rizos o arrugas son pequeñas ondulaciones triangulares con altura máximas del orden de centímetros y longitud de onda del orden de decímetros. Sólo aparecen con arena fina (< 0.6 mm) y su presencia es un indicador que el movimiento en el fondo todavía no es turbulento rugoso (δ > D). Las dunas son ondulaciones también triangulares pero con taludes diferentes, el de aguas arriba es muy suave y el de aguas abajo es muy marcado. El tamaño de la duna es un orden de magnitud mayor que el de los rizos y además mantiene una proporción con el tirante de agua. La superficie libre se ondula suavemente en oposición al fondo (descenso sobre la cresta y ascenso sobre el valle) lo que indica que el régimen hidráulico es lento. Las dunas se desplazan hacia aguas abajo por el avance de los granos sobre la pendiente suave para quedar atrapados en el valle, o bien ser suspendidos dentro de la masa líquida debido a la gran turbulencia de estos sectores. Aumentando la velocidad de la corriente, las dunas se alargan hasta ser barridas, quedando el lecho plano. Con una velocidad mayor, el lecho se ondula en formas asimétricas llamadas antidunas cuya forma puede migrar hacia aguas arriba a pesar de verificarse un fuerte transporte de sedimentos aguas abajo. La superficie libre presenta una fuerte ondulación en correspondencia con el fondo, lo que indica que el régimen hidráulico es rápido. La evolución de este régimen conduce a la aparición de crestas de espuma y finalmente verdaderos resaltos hidráulicos. En ocasiones, se añade a la clasificación una denominada rápidos y pozos que es el punto final de la evolución y se producen en ríos de gran pendiente. Este hecho sugiere que el régimen rápido no ocurre en forma estable y prolongada dado que el fondo es deformable y móvil. La secuencia de las formas de fondo descriptas se muestran en la figura 7. Figura 7: Formas de fondo: a) rizos, b) dunas, c) antidunas, d) rápidos y pozos. 8

9 Existen diversos criterios para deducir las formas de fondo de un lecho granular. Uno muy simple emplea las mismas variables adimensionales del diagrama de Shields, con lo que resulta un área distinta para cada forma por encima de la curva de inicio del movimiento (figura 8). Se observa que los rizos o arrugas corresponden al movimiento turbulento liso y que son sustituidas por dunas y lecho plano para flujo mas desarrollado. Otros autores presentan gráficos similares de los que se destacan el de Bogardi citado por Weber (000). Figura 8: Formas de fondo en un Diagrama de Shields. Cada forma de fondo agrega a la rugosidad debida al tamaño del grano una resistencia por forma. Ésta es lógicamente mayor con las dunas que con rizos o fondo plano. Por otro lado, este último coincide aproximadamente con el régimen crítico (Fr = 1). En la figura 9 se observa la tensión total debida a las fuerzas de rozamiento en el fondo según la evolución de formas. Figura 9: Tensión de corte total en función del número de Froude. Para separar la fricción por grano de la que producen las formas de fondo existen diversos métodos empíricos de los cuales se destacan el de Einstein, Einstein-Barbosa y Engelund- Hansen. Este último es desarrollado por Weber (000). 9

10 .5 Transporte de Sedimentos Clasificación de transporte El transporte de sedimentos en un río puede clasificarse conforme a dos criterios: según el modo de transporte y según el origen del material. Según el modo de transporte, el sedimento puede ser transportado en suspensión sostenido en el seno del flujo por la turbulencia, o bien por el fondo rodando, deslizando o saltando (en correspondencia con el tamaño del grano: de grueso a fino respectivamente). Una partícula inicialmente en reposo puede ser transportada rodando o saltando cuando se supera el umbral del movimiento, pero si la corriente sigue creciendo, puede ser luego transportada en suspensión. Cuanto más intensa es la corriente mayor es le tamaño del material que puede ser puesto en suspensión y transportado de ese modo. Esta idea conduce a observar que el sedimento cuyo origen es el cauce puede ser transportado de ambos modos: en suspensión y por el fondo. Otro origen posible del material transportado es la cuenca hidrográfica del río. Este material es muy fino (limos y arcillas D < mm), es transportado siempre en suspensión y se denomina carga de lavado (de la cuenca) o foránea (al cauce). La clasificación del transporte de sedimentos se resume en la tabla 1. Tabla 1: Clasificación del Transporte de Sedimentos. Origen del Material LECHO (q s ) q sf q ss Modo de Transporte DE FONDO Rodamiento Deslizamiento Saltación (debido a las Formas de Fondo) Material grueso Material fino CUENCA (q w ) EN SUSPENSIÓN El transporte de sedimentos total será: q t = q sf + q ss + q w (1) El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de un río y dentro de éste la carga de lavado o foránea puede ser la más importante. La carga de lavado está relacionada a las características hidrológicas de la cuenca: tipo de suelos y cobertura, topografía, precipitaciones, etc. el material transportado en suspensión tiene gran repercusión en la desembocadura de un sistema fluvial: formación de deltas y colmatación de embalses. El transporte de fondo en cambio, tiene la mayor repercusión sobre el río mismo ya que causa sus modificaciones y es por ello el interés en la hidráulica fluvial. El transporte de fondo (material del cauce) está relacionado a las características del cauce: ancho, pendiente, granulometría, caudal, etc. 10

11 La separación de transporte de fondo a suspensión no es abrupta en la naturaleza, es decir no existe un límite exacto, pero si se cuenta con criterios empíricos tales como el de Raudkivi (ver tabla ) que permite tener una idea de este fenómeno en función de la relación entre la velocidad de caída de las partículas ω con la velocidad característica cerca del fondo u *. Tabla : Criterio de Raudkivi para separación de modos de transporte de Sedimentos. 6 > ω/u * > Rodamiento, deslizamiento > ω/u * > 0.6 Saltación 0.6 > ω/u * > 0 Suspensión Concepto de equilibrio del fondo Un lecho se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de sedimentos cuando no sufre modificación en su cota de fondo. Las variables que entran en juego para proporcionar este equilibrio son numerosas. Con un propósito sólo cualitativo, Lane en 1955 propuso tener en cuenta 4 variables: caudal líquido q, caudal sólido de fondo q sf, la pendiente S y el tamaño del sedimento D y las dispuso en la analogía de la balanza (figura 10). La balanza de Lane es una herramienta muy útil para analizar el desequilibrio de un río, en particular, por causa de una intervención humana. Figura 10: Analogía de la Balanza de Lane. Los caudales líquidos y sólidos de un río pueden estar equilibrados o no, si no están en equilibrio puede haber exceso o defecto de material sólido, respondiendo mediante una sedimentación o erosión respectivamente. Esta igualdad es relativa a la pendiente de cauce, y se puede establecer la pendiente de equilibrio como aquella que compensa los caudales líquidos y sólidos (por ejemplo muchos sólido y poco agua se equilibran formando una gran pendiente). El equilibrio depende también del tamaño del material. Por ejemplo, el mismo caudal sólido de partículas mas gruesas y el mismo caudal de agua se equilibra con una mayor pendiente, y viceversa. 11

12 Cuantificación del transporte La cuantificación del caudal sólido de un río puede hacerse mediante mediciones (ya sean directas o indirectas) o con el empleo de fórmulas de transporte. Las ecuaciones o fórmulas de transporte tratan de cuantificar el caudal sólido de una corriente en función de sus características hidráulicas y de las propiedades geométricas y granulométricas del cauce. La complejidad de la mecánica de transporte de sedimentos es tal que todavía no existe una verdadera ecuación dinámica del transporte de la fase sólida de un flujo de agua y sólidos. En su lugar, se han desarrollado numerosas ecuaciones empíricas, semiempíricas o basadas en distintas teorías y que responden a ciertas observaciones, en general, de laboratorio. Estas ecuaciones son aproximadas, no exactas, y sólo válidas dentro del rango en que fueron obtenidas cada una de las variables y sus relaciones. Otra limitación de las ecuaciones de transporte proviene de que son fórmulas de capacidad de transporte, es decir, de transporte en potencia. Para que el transporte real sea comparable a la capacidad de transporte es necesario que exista sedimento disponible en la corriente. Cuando existe material disponible el transporte real y la capacidad tenderán a coincidir en términos medios de espacio y tiempo. En cambio, si no hay disponibilidad de material el transporte real será inferior a la capacidad. Para un flujo dado, la capacidad de transporte (el caudal sólido transportable) es menor a mayor tamaño de las partículas. Lo mismo puede suceder con la disponibilidad, es decir, el volumen por unidad de tiempo que la parte superior del cauce o la cuenca puede proporcionar al tramo considerado. Entre ambas magnitudes puede ocurrir lo ilustrado en la figura 11, en tal caso, la aplicabilidad de una fórmula de transporte será errónea si el material es mas fino que D *, pues la cantidad transportada estará controlada por la disponibilidad del material, no por la capacidad de transporte. Figura 11: Disponibilidad y capacidad con relación al transporte sólido. 1

13 Las ecuaciones de transporte de fondo son fórmulas unívocas y más o menos explícitas entre en caudal sólido unitario q sf y las características hidráulicas del cauce. Muchas responden a una relación funcional del tipo: q sf = F ( τ τ ) (13) o c donde τ c es la tensión crítica (Shields) y τ o la tensión actuante en el fondo. De esta manera, el caudal sólido es función creciente del exceso de tensión de corte sobre la del inicio del movimiento. En general, ante solicitaciones máximas (crecidas) las fórmulas arribadas por diferentes autores muestran cierta similitud en que este funcional F responde a una potencial con exponente 3/ (García, 1999). Tanto para la cuantificación del transporte de fondo como la carga de lavado existe una gran cantidad de ecuaciones de diferentes autores. Estas ecuaciones son ampliamente desarrolladas en diversas bibliografías de las cuales se destaca principalmente la de Maza et al (1996) y Weber (000). 13

14 3. CONTEXTO GEOMORFOLÓGICO La morfología de ríos estudia la estructura y forma de los ríos, abarcando la configuración del cauce en planta, la geometría de las secciones transversales, las formas de fondo y las características del perfil longitudinal. Las teorías y planteos analíticos para ríos se han desarrollado para casos idealizados. Los datos empleados, ya sean de campo o laboratorio, corresponden a canales rectos con secciones transversales casi invariantes, en los cuales se supone que el caudal es casi constante y se mantiene por grandes periodos. Efectivamente, los ríos reales muestran muchas de las características idealizadas en los canales estables que merecen la atención del ingeniero; sin embargo existen varias diferencias entre ambos que es necesario conocer para la aplicación satisfactoria de dichas teorías. 3.1 Clasificación de los Ríos Para facilitar el estudio, se han clasificado a los ríos según diferentes puntos de vista, lo cual permite ubicar fácilmente a cualquier cauce para determinar sus principales características. Debe tenerse e cuenta que en la naturaleza es posible encontrar situaciones intermedias a las que serán definidas en esta clasificación Según la Edad Geológicamente, los ríos son clasificados como jóvenes, maduros y viejos. Los ríos jóvenes se encuentran en cauces de montaña, tienen pendientes altas y sección transversal tipo V. Son muy irregulares y generalmente se encuentran en un proceso de degradación. Los ríos maduros se presentan en valles amplios y tienen pendientes relativamente bajas, la erosión de las márgenes ha reemplazado a la erosión de fondo. Estos ríos son estables y la sección transversal de cada tramo es capaz de transportar la carga de sedimento en todo su recorrido. Los ríos viejos se encuentran en valles amplios y planicies cuyo ancho es 15 a 0 veces mayor que el ancho de meandros. Las pendientes son muy bajas y forman depósitos naturales de sedimentos en las márgenes. Frecuentemente se encuentran zonas de pantanos y/o lagos con formas de herradura que son restos de meandros abandonados que fueron cortados en forma natural Según la Condición de Estabilidad a) Estabilidad Estática: cuando la corriente es capaz de arrastrar sedimentos pero no puede mover las partículas o elementos de las orillas. Por ejemplo en márgenes rocosas o con suelos de alta cohesión. b) Estabilidad Dinámica: cuando las variaciones de corriente, materiales del fondo y de las orillas y los sedimentos transportados han formado una pendiente y una sección 14

15 transversal que se mantienen en el tiempo. En estas condiciones, el río sufre desplazamientos laterales continuos en las curvas, con erosiones en las márgenes exteriores y depositación en las interiores. Todos los caudales, antes de producirse un desborde, escurren por un único cauce que no tiene islas o bifurcaciones. Por ejemplo ríos de planicie formados por un único cauce. c) Inestabilidad Dinámica: el río escurre por un solo cauce pero se presenta cuando el desplazamiento lateral de los meandros es muy intenso y por lo tanto, el corte natural de ellos ocurre frecuentemente. Por un lado, el río trata de desarrollar su pendiente de equilibrio al desarrollar sus meandros y por otra, éstos se estrangulan rápidamente y se cortan. El río no alcanza a estabilizar su pendiente. d) Estabilidad Morfológica: este grado de estabilidad posee el concepto más amplio. En cualquier cauce natural, la pendiente de un tramo cualquiera, el ancho y el tirante de su sección transversal, así como el número de brazos en que se divide el cauce, dependen del caudal líquido que escurre anualmente y de su distribución, de las características de los materiales que componen el lecho y las orillas, y de la calidad y cantidad del sedimento que es transportado. En otras palabras, cualquier corriente natural no alterada por factores humanos tiene estabilidad morfológica. Un cauce que en forma natural tiene estabilidad estática o dinámica, también tiene la morfológica Según el Tramo (ver tabla 3) Tabla 3: Clasificación propuesta por Lojtin según la ubicación del tramo. Denominación D/S Fr Alta Montaña > 10 > 1 Montaña > a 1 Faldeo o Piedemonte > a 0.7 Intermedio > 5 0. a 0.45 Planicie (con cauce arenoso) Río Caudaloso > 0.44 a 0.55 Río poco Caudaloso > a 0.44 Donde: D diámetro medio de las partículas de fondo [m]; S pendiente del cauce [m/m] y Fr número de Froude Según los Grados de Libertad Se denomina grados de libertad (GL) a la forma de respuesta de un cauce ante una variación en el caudal (ver figura 1). i. Si sólo varia el tirante, se dice que existe 1 GL (por ejemplo un canal revestido de hormigón armado). Cuando se tiene 1 GL no existe transporte de sedimentos. ii. Cuando sólo puede variar el tirante y la pendiente, se dice que el cauce tiene GL (por ejemplo cuando las márgenes son rocosas y el fondo arenoso). 15

16 iii. Si además del tirante y la pendiente, también pueden alterarse las márgenes y ajustarse al ancho, se dice que el cauce tiene 3 GL (por ejemplo la mayoría de los cauces naturales que escurren sobre materiales aluviales). Figura 1: Grados de Libertad de un Cauce. Para algunos autores existe un cuarto grado de libertad. Este cuarto GL lo tienen los cauces con 3 GL cuando llegan a formar meandros. En general, se considera que las corrientes naturales tienen 3 GL, y que si desarrollan meandros es porque la pendiente de la planicie es mayor que la pendiente hidráulica del escurrimiento, y por lo tanto, se ven obligados a aumentar la longitud de su recorrido, lográndolo al erosionar las márgenes y desplazarse lateralmente Según el Material de las Márgenes y el Fondo a) Cohesivo: son cauces alojados en materiales predominantemente arcillosos. b) No cohesivos o Granulares: cauces alojados en material formado por partículas sueltas. Pueden subdividirse a su vez según la clasificación dada en la Tabla 1 o bien según la distribución granulométrica: i. Bien graduados o con granulometría extendida: σ > 3 existe la posibilidad de acorazamiento; ii. Mal graduados o de granulometría uniforme: σ < 3 16

17 3.1.6 Según el Tiempo que Transportan Agua a) Ríos Perennes: estas corrientes transportan agua durante todo el año y están siempre alimentadas por el agua subterránea. Son propios de climas húmedos. b) Ríos Intermitentes: transporta agua en las épocas de lluvias cuando el nivel freático asciende. En épocas de sequías el río no transporta agua excepto cuando ocurre una tormenta. Son propios de climas semiáridos. c) Ríos Efímeros: aquellos que sólo llevan agua bajo episodios de fuertes precipitaciones, manteniéndose secos el resto del tiempo. El nivel freático se encuentra siempre debajo del lecho, y es el río el que alimenta a los almacenamientos subterráneos. Son propios de climas áridos Según la Pendiente la pendiente de un río establece la diferencia más importante en cuanto al régimen hidráulico. a) Torrenciales: S > 1.5 % b) Torrentes: S > 6 % en éstos se abandona la premisa de que el flujo tiene una fase líquida y otra sólida, ya que la cantidad de sólidos transportados es tal que el comportamiento del flujo es no newtoniano (Huang et al, 1997) Según la Geometría Para esta clasificación se emplea la relación conocida como índice de sinuosidad P según: Longitud del Thalweg P = Longitud del Valle (14) a) Cauces Rectos: normalmente ocurre en pequeños tramos y son transitorios ya que cualquier perturbación produce flujos transversales que inician la formación de curvas o meandros. P < 1.. En general, los tramos rectos se presentan cuando el río escurre a lo largo de una falla geológica o cuando existe alguna modificación de tipo antrópica. Figura 13: Cauce Recto. b) Cauces Sinuosos: 1. < P <

18 c) Cauces con Meandros: P > 1.5. estos cauces presentan curvas alternadas unidas por tramos rectos y cortos. La pendiente normalmente es baja. Los tirantes en los tramos rectos son menos profundos que en las márgenes cóncavas. Figura 14: Cauce con Meandros. d) Cauces Trenzados: no presentan un solo cauce sino que se dividen continuamente en varios cauces se entrelazan y se vuelven a separar. Los cauces son amplios y las márgenes no están bien definidas. Para caudales bajos existen dos o más cauces principales entrelazados y se forman cauces secundarios. En crecidas, el agua cubre todos los cauces y grandes cantidades de sedimentos son depositados rellenando cauces antiguos. Generalmente, estos cauces tienen pendientes altas, el material es grueso y llegan grandes cantidades de sedimentos. La principal característica de estos cauces es que están sujetos a un proceso de sedimentación. Figura 15: Cauce Trenzado. En la naturaleza se distinguen dos morfologías fluviales típicas: el trenzado o anastomosado y el meandriforme, ambos ya descriptos. Existen otras formas menos frecuentes en los cauces y que se generan según las características de ciertos lugares específicos. A continuación se mencionan algunas de las mas importantes. e) Cauces con Islas: se forman islas en su interior, las cuales pueden desplazarse hacia aguas abajo, o bien si permanece estable por varios años son cubiertas por vegetación. f) Cauces en Estuarios: se presentan en las desembocaduras de los ríos en los océanos y están altamente influenciados por las mareas. g) Cauces en Pantanos: normalmente son muy amplios por no existir pendiente o ser muy pequeña, además presentan zonas muertas y saturadas por altos niveles freáticos. Los tirantes son reducidos y se genera un ambiente favorable para el crecimiento de la vegetación. h) Deltas: son aquellos ríos que arrastran gran cantidad de sedimentos y desembocan en lagos, embalses o en el mar con mareas reducidas. El material depositado, en general sedimentos finos, inicialmente forma flechas paralelas a flujo, las cuales posteriormente incrementan su ancho debido a la acción del oleaje y los materiales que continúan depositándose. Al ocurrir grandes crecidas estas flechas se rompen por donde sale parte del flujo y se repite nuevamente el proceso descripto. Este 18

19 proceso genera un abanico de sedimentación cuya forma se asemeja a la letra griega, de donde proviene su nombre. Las principales variables que intervienen en su formación son la temperatura, carga de sedimento, salinidad y la pendiente del río. Los deltas presentan siempre varios brazos. i) Abanicos Aluviales (o conos de deyección): son depósitos de sedimento cuya forma se asemeja a un segmento de sección cónica, que visto en planta se parece a un abanico y tiene una pendiente así uniforme desde el ápice hasta el borde final (ver figura 16). Se presentan normalmente en zonas áridas y montañosas con pendientes fuertes. Ocurren en el punto donde la corriente pasa de un cauce estrecho a otro muy amplio, o bien cuando la pendiente disminuye abruptamente. Figura 16: Abanico Aluvial. En el ápice del abanico, donde las velocidades decrecen repentinamente, la corriente deposita grandes cantidades de material, parte del cual es arrastrado por crecidas posteriores. El flujo en los canales aguas bajo del ápice escurre con tirantes y velocidades mayores a la crítica Según las Condiciones del Transporte Es normal considerar que los tramos de los ríos pueden estar sujetos a un proceso de erosión, sedimentación o en equilibrio. Una clasificación importante relacionada a estos aspectos es la propuesta por Schumm en 1963 la cual se muestra en la Tabla 4. Tabla 4: Clasificación de cauces según Schumm. Forma del Transporte de Sedimento M % En suspensión del 85 al 100 % 100 En suspensión del 65 al 85 % y en el fondo del 15 al 35 % 30 De fondo del 35 al 70 % < 5 Estabilidad del Cauce Estable Depositación Erosión El principal depósito ocurre en las F < 7 márgenes que origina el estrechamiento P >.1 del cauce. El depósito en el fondo es S baja menor. 7 < F < < P <.1 S moderada F > 5 1 < P < 1.5 S alta Es importante el depósito en las márgenes y también en el fondo. Depósito en el fondo y formación de islas. Predomina la erosión del fondo. Poca ampliación de márgenes. Es importante la erosión del fondo y la ampliación de márgenes. La erosión del fondo es baja, y la ampliación del cauce es muy importante. Donde: F = B/h, B ancho de la superficie libre, h tirante; P índice de sinuosidad; S pendiente longitudinal del fondo. 19

20 3. Características Físicas (o Geometría Hidráulica) El problema de predecir o deducir la geometría de un río si se le permiten todos sus grados de libertad ha preocupado a muchos investigadores de la geomorfología. Se cuenta con observaciones relativamente sencillas de las características geométricas de los ríos que sugieren relaciones empíricas entre ellas. La morfología de los cauces cambia con el tiempo y es afectada principalmente por el caudal, el material transportado, el diámetro representativo del material de fondo, la pendiente del lecho, la relación entre el ancho de la superficie libre y el tirante, y la configuración de curvas. MORFOLOGIA = f ( t, Q, Qs, D, S, B, H, etc.) (15) Es necesario notar que la mayoría de las veces, en los factores de la expresión 15, son mas importantes sus interrelaciones que la influencia de cada uno por separado. Así por ejemplo, la pendiente longitudinal, la carga de sedimento y la resistencia al movimiento de as márgenes y del fondo, son interdependientes, pues están estrechamente ligadas entre si. A continuación se muestran algunas de las relaciones más importantes entre estas variables. Pendientes, Bray en 1973 propuso: S = M Qm (16) Donde: S es la pendiente longitudinal del cauce [m/m], Q m es el caudal medio anual [m 3 /seg], M es por porcentaje de sedimentos transportados menor a mm (apertura del tamiz 00). Esta relación indica que al aumentar el caudal o al disminuir el tamaño del material sólido, la pendiente disminuye. Sección Transversal (el mismo autor en 198): Deducida para lechos de grava (con posibilidad de acorazamiento) para cauces rectangulares muy anchos relaciones B/h > 50. B = 4.75Q 0.57 (17) h = 0.66Q 1 3 (18) Siendo: B el ancho promedio de la sección [m], Q el caudal pico [m 3 /seg] para una crecida de recurrencia de años, h el tirante promedio de agua [m]. Transporte de sólidos, Schumm en 1960: Relaciona la sección transversal con la cantidad de limos y arcillas F B = = 55M h 1.08 (19) 0

21 3.3 Caudal Formativo Es el caudal que de escurrir en forma constante genera las mismas dimensiones promedio de la sección transversal y la pendiente (definición dada por Inglis en 1947). Existen varios criterios para obtener este caudal formativo. Entre los más importantes y cuya utilización es recomendada están los siguientes: i. Capacidad hidráulica del cauce principal. Es decir, el caudal máximo capaz de escurrir por el cauce principal sin desbordar (Inglis). Esta definición se aplica a ríos de planicie. ii. Caudales asociados a ciertas frecuencias. Q de periodo de retorno de 1.4 años (Leopold y Maddock). Q que ocurre cada 170 días (Nixon). Q que ocurre el 3 % de los días del año. iii. Cuando el método de cálculo tiene en cuenta el transporte de sedimentos el caudal formativo se denomina caudal dominante Q d. Q d = t Q( t) Qs( t) dt 1 (0) t t t1 Qs( t) dt Donde: Q(t) es la serie de caudal líquido, Qs(t) es la serie de caudales sólidos. Ambas series de caudales deben estar en las mismas unidades y asociadas a un mismo intervalo de tiempo dt. El criterio de Shaffernak establece como Qd aquel que durante los días que se presenta a lo largo de un año, transporta el mayor volumen de sedimentos. Similarmente, el USBR considera sólo las partículas de arena (D > 0.06 mm) en el transporte de fondo. El procedimiento tiene en cuenta las siguientes relaciones: Curvas de frecuencia de Q. Curva de Q vs. Qs. Curva de Q vs. volumen de sedimentos transportados. 3.4 Meandros la evolución de los meandros puede clasificarse en dos categorías: a) la migración hacia aguas abajo de todo el meandro y b) la expansión de la curvatura del meandro, su estrangulamiento y finalmente el corte del mismo. El desarrollo de meandros incrementa la longitud del río y por consiguiente disminuye la pendiente. El meandro es el mecanismo natural por el cual un río ajusta su pendiente cuando la del valle por donde fluye es mayor que la necesaria. La configuración y geometría de un cauce con meandros está determinadas por la erosión y socavación de la margen externa o cóncava y el depósito de sedimentos a lo largo de la margen interior o convexa. La figura 17 muestra los parámetros principales de un meandro. 1

22 Figura 17: Meandros. Lane en 1957 analizó 144 ríos y estableció una relación entre el caudal medio, la pendiente el material de fondo y de las márgenes y de la forma del río en planta. La ecuación que propone para ríos con meandros y trenzados si el fondo es de arena, es la siguiente: K S = Q (1) Donde: S pendiente [m/m], Q caudal medio anual [m 3 /seg] y K un coeficiente que tiene en cuenta la forma del cauce en planta. Esta ecuación se representa gráficamente en la figura 18. Determinados los valores de Q y S se obtiene un punto en la gráfica. Si el punto queda bajo la recta de K = , el río es meandroso, si queda sobre la recta de K = 0.01 será trenzado y si está entre las dos será intermedio. Cabe destacar que la relación 1 representa un brazo de palanca en la balanza de Lane presentada en la figura 10 (sección.5). Figura 18: Relación entre la pendiente y el caudal según la expresión de Lane. Hay una gran cantidad de ríos que debido a su origen y a la resistencia del material donde se alojan, el meandreo es prácticamente fijo, es decir, se trata de cauces con meandros en trinchera.

23 3.5 Flujo en Curvas Entre el interior y exterior de una curva se desarrolla una sobreelevación del nivel de agua por causa de la fuerza centrifuga. El valor de esta sobreelevación puede obtenerse con bastante precisión mediante la siguiente ecuación: U B z = g r (1) Donde: z sobreelevación [m], U velocidad media de la corriente [m/seg], B ancho del cauce [m], g aceleración de la gravedad [m/seg ] y r radio de la curva. Figura 19: Sobreelevación en curvas. Esta fuerza centrifuga explica otro efecto importante. En una sección vertical A-A (figura 19) donde la distribución de velocidades es logarítmica, al girar sobre un mismo radio r, se desarrolla mayor fuerza centrifuga en la superficie que en el fondo. Por causas de estas fuerzas desiguales, existen componentes de velocidad en la transversal que generan una circulación llamada corriente secundaria. Esta corriente en la transversal, sumada al movimiento longitudinal producen un flujo helicoidal que forma o modela la sección en las curvas. El lado exterior de la curva es mas profundo por efecto del descenso de este flujo helicoidal, mientras que el interior forma una suave pendiente debido a la corriente ascendente. Este proceso se esquematiza en la figura 0. Figura 0: Corriente Secundaria Flujo Helicoidal. 3

24 3.6 Ecosistema Fluvial En la descripción de los ríos no puede faltar la consideración de su valor ecológico. Los ríos, en estado natural, son ecosistemas complejos y singulares, que merecen una protección y conservación. Se destacan tres aspectos fundamentales del medio fluvial: 1) El cauce de las aguas continuas o permanentes alberga flora y fauna acuática. Su valor depende de su diversidad biológica y esta es función de la diversidad física. Así hay diferentes hábitat para distintas especies cuando, por ejemplo, en unos lugares hay sol y en otros sombra, en uno el fondo es de gravas y en otros de barro, se suceden los pozos de aguas calmas y los rápidos, hay islas o barras o bolos emergidos e intersticios sumergidos, hay zonas de mayor y menor velocidad, etc. ) También se debe destacar la llanura de inundación (cuando existe), cuyo valor ecológico para sustentar una comunidad biológica singular como zona humedad depende de la frecuencia de la inundación y de su duración, del nivel freático y de la diversidad física de la llanura: depresiones, meandros abandonados, crestas, suelos de distinto tipo. La inundación que aporta agua, sedimento y nutrientes es importante para la vida de la llanura. 3) Además, el bosque de ribera sino ha sido degradado por la agricultura o pastoreo constituye un ecosistema de gran valor biológico. Aparte de la vegetación acuática, sumergida o semisumergida, el bosque está constituido por un estrato arbóreo de especies caducifolias como sauces, fresnos, álamos y olmos más o menos próximos al agua según su necesidad hídrica, un estrato arbustivo en los claros o bordes del bosque (por ejemplo zarzales) y un estrato herbáceo. El bosque de ribera controla la llegada de energía al sistema acuático mediante la sombra y los detritos vegetales. Actúa a modo de filtro, pues retiene las partículas en suspención de las aguas de escorrentía y capta nutrientes de las aguas subterráneas que afluyen al río. También cumple una función de estabilización de las orillas mediante las raíces. Es muy dinámico pues puede resultar destruido por una avenida pero rehacerse rápidamente. El bosque puede albergar gran riqueza ornitológica, también en combinación con humedales. 4

25 4. En el presente apartado se abordarán los conceptos principales que permitan comprender el funcionamiento de las obras fluviales más comunes, con las que seguramente se enfrentará un ingeniero durante su vida profesional. Es importante destacar que existen extensas bibliografías que analizan en detalle cada uno de los temas que serán desarrollados en adelante. El objetivo es dar los lineamientos generales y conceptos amplios que proporcionen el conocimiento para proyectar obras de ingeniería fluvial. De manera que un estudio detallado de cualquier tipo de estas obras demandará una profundización en el tema específico que debe ser analizado Efectos del Transporte de Sedimentos Como consecuencia del flujo bifásico, y en función de los temas revisados en los apartados anteriores, es posible asegurar que un tramo de cauce de un río cualquiera estará sometido a fenómenos de erosión o sedimentación, y en el mejor de los casos, en equilibrio. Si bien estos términos han sido aplicados en las secciones anteriores, es necesario definirlos adecuadamente: Erosión (o degradación):descenso del nivel del lecho y/o por lo menos una de las márgenes se desplaza alejándose del eje de escurrimiento. Depositación (o sedimentación): ascenso del nivel del lecho o al menos una de las márgenes converge al eje de escurrimiento. Equilibrio (o estabilidad): puede ser estático, cuando el escurrimiento es incapaz de transportar material del lecho o de las márgenes; o dinámico, cuando la sección transversal permanece aproximadamente constante para diferentes periodos de tiempo. Todas estas definiciones dependen de cual sea el periodo de tiempo ( t) de análisis, ya que observando un lecho antes y después de una crecida es posible que la sección no haya variado notablemente; mientras que para un t menor, es decir, durante la crecida el lecho sufre importantes variaciones (dependiendo de las variables analizadas Q, Qs, D, S, etc.). Estos procesos pueden ocurrir de manera individual o conjuntamente en un tramo de un cauce. Por ejemplo, en una curva se tiene un proceso de erosión en la margen externa; mientras que la interna se encuentra sometida a sedimentación. Además, estos fenómenos pueden resultar influenciados por causas antrópicas, ya sean acelerándose o retardándose. A su vez, dichas alteraciones pueden ubicarse localmente o afectar a gran parte de un río. Particularmente nos interesan las influencias derivadas de la construcción de obras de ingeniería. Para el proyecto de obras sobre ríos, por ejemplo puentes, obras de captación, estaciones de bombeo, cruce de conducciones, estabilización de márgenes, etc., el ingeniero debe tomar conciencia que está interfiriendo con el desarrollo de un proceso natural. Por este motivo, el ingeniero fluvial o civil abocado al proyecto y diseño de estas obras, necesita conocer y establecer o estimar cuantitativamente esta interferencia y sus posibles consecuencias. 5

26 Particularmente, nos ocuparemos de los procesos erosivos y principalmente de aquellos que afectan a las obras de ingeniería. 4. Tipos de Erosión A) Erosión General Se denomina erosión general, al descenso general del lecho debido a un aumento de la capacidad de transporte de una corriente en crecidas. Afecta a tramos largos del cauce y seria la única erosión en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad (a diferencia de erosión local). Este fenómeno es todavía poco conocido. Puede analizarse como el transporte diferencial de sedimentos entre dos secciones para igual caudal líquido como muestra la figura 1. Figura 1: Erosión General (Qs > Qs1). La magnitud de la erosión general se puede calcular, por ejemplo, a partir del criterio de inicio de movimiento ante una corriente permanente. Una vez establecida la posición de la superficie libre (para cierto caudal), el cálculo se realiza manteniendo fijo el nivel del agua y se desciende el nivel del lecho, aumentando de esta manera el área y disminuyendo la velocidad, hasta que la velocidad sea incapaz de mover las partículas. Existe una gran variedad de ecuaciones empíricas para estimar la erosión general que se deducen a partir de distintas hipótesis. Una de las mas conocidas es la de Blench, la cual parte de la teoría del régimen. El autor plantea que durante la crecida se alcanza el tirante dado por las ecuaciones régimen. Para arenas de 0.06 < d 50 (mm ) < y m q = 1.0 d () Para gravas con d 50 (mm ) > 3 q y m = (3) d50 Donde: y m tirante de erosión medio [m] (desde la superficie libre hasta el fondo del lecho erosionado), q caudal por unidad de ancho [m 3 /seg m], el diámetro medio d 50 [mm]. 6